Psychoakustik 2 - Lautstaerkewahrnehmung

Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung
Psychoakustik 2
Lautstärkewahrnehmung
Alexis Baskind, https://alexisbaskind.net

Psychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung
Kursreihe
Grundlagen der Akustik für Toningenieure und Musikproduzenten
Niveau
Bachelor
Sprache
Deutsch
Revision
Januar 2020
Diesen Kurs zitieren
Alexis Baskind, Psychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung, Kursmaterial, Lizenz:
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Hörschwelle
3. Kurven gleicher Lautstärkepegel
4. Lautheit – das Sone
5. Lautheit und Dauer
6. Komplexe Klänge - Simultanverdeckung
7. Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle
8. Einschätzung der Lautheit, Frequenzbewertung

Einleitung
• Das Weber-Fechner Gesetz, das für alle Arten von
Sinnesempfindungen gelten soll, muss eigentlich für
jede verfeinert bzw. korrigiert werden
• Die Wahrnehmung der Lautheit ist ein
hochkomplexes subjektives, frequenzabhängiges
Phänomen, das u.a. von den folgenden Faktoren
abhängig ist:
– Frequenzinhalt, Bandbreite des Klanges
– Dauer des Klanges
– Verdeckung von anderen Klängen
– Aufmerksamkeit des Hörers

Hörschwelle
• Die Hörschwelle ist der durchschnittliche
frequenzabhängige Schalldruckpegel, ab dem das
menschliche Gehör Sinustöne wahrnimmt
• Bemerkenswert
ist der Einfluss
des Alters (20,
40, 60 Jahren)
auf die
Hörschwelle
(dBSPL)

Lautstärkepegel ist nicht Lautheit
• Der Lautstärkepegel (engl. „Loudness level“, Einheit
= Phons) ist ein relative Maßheinheit, das die
Frequenzabhängigkeit der wahrgenommenen
Lautstärke von Sinustönen im Vergleich zu der 1
kHz-Referenz beschreibt.
• Das Sone (siehe später) ist eine psychoakustisches
Maß der absoluten wahrgenommenen Lautheit von
Sinustönen beschreibt.

Kurven gleicher Lautstärkepegel
• Die Kurven gleicher Lautstärkepegel weisen auf, mit welchem
Schalldruckpegel ein Sinuston abgespielt werden muss, um
genauso laut wie ein 1 kHz-Sinuston empfunden zu werden
Frequenz (Hz)
• Das Phon ist die
Maßeinheit des
Lautstärkepegels
(eines Sinustons)
• Deswegen heißen
diese Kurven auch
Isophonen
• Bei 1 kHz stimmt der
Wert in Phon mit dem
Schalldruckpegel in
dB SPL überein

Hörbereich
Frequenz (Hz)
Musik
Sprache
Ultraschall
Infraschall
Schmerzgrenze

„Gehörrichtige Lautstärkeregelung“
• Musik wird oft ziemlich laut gemischt (75-85 dB SPL) um
alle Frequenzen hören zu können
• … aber Musik wird oft leiser gehört!
 Deshalb wird der Mix anders klingen (sogar wenn man die
unterschiedliche Raumakustik und die Tonanlage berücksichtigt)
 Unter anderem werden beim leiseren Abspielen tiefe Frequenzen
viel leiser empfunden werden
• Die sogenannte gehörrichtige Lautstärkeregelung (die
man bei Unterhaltungselektronik-Geräten finden kann) ist
ein lautstärkenabhängiger Entzerrer (Filter), der den
Frequenzinhalt beim leisen Abspielen kompensiert

„Gehörrichtige Lautstärkeregelung“
Beispiel: K&H ES-20 Stereo-Verstärker

Einschränkungen
• Die Phon-Skala entspricht der dB-SPL-Skala, und deshalb ist
sie mit der empfundenen Lautheit nicht linear verbunden:
z.B. entspricht eine Verdopplung der empfundenen Lautheut
nicht einer Verdopplung des Pegels in dB SPL (sondern eher
+10 dB)
Grenze vom Weber-Fechner-Gesetz
• Die Kurven gleicher Lautstärkepegel sind grundsätzlich nur für
Sinustöne relevant, nicht für komplexe Klänge
• Die Dauer des Klangs wird nicht betrachtet
 Wie ist die Lautstärke komplexer, zeitmodulierter Klänge?
• Die Kurven gleicher Lautstärkepegel erlauben nicht zu wissen,
wie laut ein Klang in einer Mischung empfunden wird

Lautheit – das Sone
• Die Phon-Skala ist schon genauer als die dBSPL Skala, um die
empfundene Lautstärke einzuschätzen, da sie die
Frequenzabhängigkeit betrachtet. Sie bildet aber das
Hörempfinden linear nicht ab
• In der Tat entspricht eine Erhöhung des Schalldruckpegels
um 10 dB ca. einer Verdopplung der empfundenen
Lautstärke (außer für sehr leise Klänge)
• Die Sone-Skala wurde aus diesem Grund eingeführt. Sie
beruht auf der Phon-Skala, die sie korrigiert, um sich der
Lautheit besser anzunähern
• Wie die Phon-Skala wird die Sone-Skala mit Sinustönen
gebildet, deshalb reicht es noch nicht, um die Lautheit
komplexer Klänge einzuschätzen

Lautheit – das Sone
Notation
(Musik)
Phons Sones
120 256
110 128
fff 100 64
ff 90 32
f 80 16
mf, mp 70 8
p 60 4
pp 50 2
ppp 40 1
32 1/2
25 1/4
19 1/8
14 1/16
(Natürlich sind musikalische Dynamikanweisungen
wie mf oder ppp relativ und kontextabhängig, und
die Verbindung mit der Lautstärke in dieser Tabelle
sollte nicht genau genommen werden)

Faders
1. Ein linearer Fader wäre kaum nutzbar, weil er
nicht erlaubt, die Lautheit linear zu steuern:
Referenz: x 1
Verstärkungsfaktor => Lautheitsänderung
Referenz (+0 dB)
x 1.3 ca. 1.2x lauter (+2.3 dB)
x 0 Schweigen
x 0,5 ca. 1.5x leiser (-6 dB)
x 0,25 ca. 2x leiser (-12 dB)
x 0,125 ca. 3.5x leiser (-18 dB)
x 0,06 ca. 5x leiser (-24 dB)
(die Auflösung
ist für geringe
Verstär-
kungen viel zu
schlecht)

Faders
2. Ein reiner dB-Fader wäre auch gar nicht optimal,
weil die untere Hälfte damit fast nutzlos wäre:
Referenz: 0 dB
Referenz
Schweigen
-10 dB 2x leiser
-20 dB 4x leiser
-30 dB 8x leiser
-40 dB 16x leiser
-50 dB 32x leiser
-60 dB 64x leiser
+10 dB 2x lauter
+20 dB 4x lauter(die Auflösung
ist hier zu
schlecht: nur
ein paar
Zentimeter für
20 dB
Unterschied)
-¥

Faders
3. Der Standard für die Faders ist eigentlich ein
sehr guter Kompromiss:
Referenz: 0 dB
Referenz
Schweigen
-10 dB 2x leiser
-20 dB 4x leiser
-30 dB 8x leiser
-40 dB 16x leiser
-60 dB 32x leiser
+10 dB 2x lauter
-50 dB
-¥
(in diesem
Bereich
erlaubt der
Fader, die
Lautheit fast
linear zu
steuern)

Lautheit und Dauer
• Unter 200-300 ms wird der Klang, je länger er dauert, desto
lauter wahrgenommen
• Dieses Ergebnis wurde u.a. in Pegelanzeige-Instrumenten
wie das VU-Meter, dessen Einschwingzeit um 300 ms
eingestellt wird, angewandt
Lautheit/
Max. Lautheit
Klangdauer (s)

Komplexe Klänge
• Für komplexere Klänge als Sinustöne gilt immer noch
dasselbe Prinzip (das Gehör reagiert weniger empfindlich
auf tiefe und hohe Frequenzen bei leisem Abspielen)
• Aber die Kurven gleicher Lautstärkepegel können nicht
genau angewandt werden, da:
– Obertöne und Rauschanteile eines Klangs, die vom Gehör erstmals
getrennt werden, danach wieder zusammengelegt und als eine
Einheit wahrgenommen werden
– Die dadurch entstehende spektrale Lautheitssummation ist
komplex und von den Frequenzgruppen (siehe gleich unten)
abhängig.
– Unter anderem können zwei Töne, die zu nah zueinander liegen,
sich gegenseitig verdecken

Frequenzgruppen
• Die erste Art von Frequenzgruppierung findet im Mittelhirn
statt: benachbarte simultane Frequenzanteile werden in
Frequenzbänder zusammengelegt, und als eine Einheit
wahrgenommen
• Diese Frequenzbänder heißen Frequenzgruppen (engl.
„Critical Bands“)
• Sie bestimmen in vielen Fällen die Frequenzauflösung des
Gehörs
• Die Lautheit eines breitbandigen Signals kann ebenso nicht
als die Summe der Lautheit aller einzelnen Komponenten
betrachtet werden: es ist eher von der Energie in jedem
Frequenzband abhängig => Lautheitssummation

Frequenzgruppen
Die kritische Bandbreite (engl.
“critical bandwidth”), die die
Bandbreite der Frequenzgruppen
bezeichnet, ist von der
Mittenfrequenz abhängig:
• Bis 500 Hz liegt sie sie bei ca. 100
Hz
• Über 500 Hz steigt sie
proportional zur Mittenfrequenz:
die relative Bandbreite ist more
or less konstant und liegt zw. ca.
1/6 Oktave und ca. 1/3 Oktave
=> Dies könnte erklären, warum
Terzband-Filter in der Tontechnik
überall benutzt werden!

Frequenzgruppen und Lautheitssummation
Bild von Thomas Görne, “Tontechnik”
Spectrale
Lautheissummation
: Lautheit von
Rauschen mit einer
Mittenfrequenz von
1 kHz und variabler
Bandbreite
Horizontale Achse =
Bandbreite des
Rauschens
Verticale Achse =
effektiver
Schalldruckpegel in
dB SPL

Simultanverdeckung
Frequenz
(kHz)
Wenn zwei Töne mit ähnlichen Tonhöhen gleichzeitig abgespielt
werden, maskiert der lautere den leiseren teilweise oder ganz:
Die Hörschwelle wird dadurch lokal erhöht

Simultanverdeckung
• Je lauter der lautere Ton, desto größer die Bandbreite, wo
Verdeckung stattfindet
• Zudem ist das Verhalten asymmetrisch im Frequenzbereich
Beispiel:
Verdeckung eines
zweiten Tons von
einem 1-kHz Ton
Quelle:
Blauert/Wikipedia

Simultanverdeckung
“Allgemein gilt, dass ein höherfrequenter Schall einen
tieferfrequenten nur dann verdeckt, wenn der Frequenzabstand
gering ist. Ein Schall tieferer Frequenz verdeckt einen
höherfrequenten Schall nur dann, wenn der tieffrequente Schall
vergleichsweise große Intensität besitzt” (Michael Dickreiter)
Das heißt für das Mischen:
Wenn zwei Klänge gemeinsame Frequenzbereiche teilen, werden
sehr oft Teile des leiseren von dem lauteren verdeckt.
Ein klassisches Beispiel ist die Verdeckung der Kick-Drum
durch den E-Bass oder umgekehrt: wenn die Kick-drum lauter
als der E-Bass ist, bleiben nur die Obertöne vom E-Bass hörbar
(die natürlich auch von anderen Instrumenten verdeckt
werden können)

Simultanverdeckung
Wie kann man Verdeckung bei Mischung mildern:
– Mit unterschiedlichen EQs, so dass jedes Instrument seinen
Platz in einem bestimmten Frequenzbereich hat. Sogar wenn die
Spur allein nicht gut klingt, ist das Ergebnis in der Mischung am
wichtigsten. Eigentlich ist es oft kontraproduktiv, die Klangfarbe
aller einzelnen Instrumente unabhängig von den anderen zu
verbessern!
– Mit weniger oder einem kürzeren Hall, mit einem anderem
Hall, und/oder mit EQ auf den Hall angewendet
– Mit Dynamikverarbeitung (evtl. mit externem Side-Chain): die
Kick-Drum kann zum Beispiel während des Anschlags dominant
sein und gleich danach kann sein Pegel reduziert werden, sodass
die Resonanz vom E-Bass deutlicher hörbar wird
– Mit dem Panoramaregler (Siehe später, „Cocktail-Party-Effekt“)

Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle
• Eine differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle
(engl. „just-noticeable difference“) bezeichnet für
alle Sinnempfindungen die untere Schwelle für die
Wahrnehmung eines Reizunterschieds
• Für den Schalldruckpegel liegt diese Schwelle
durchschnittlich bei ca. 1 dB.
• Sie hängt aber vom absoluten Schalldruckpegel ab:
– sie liegt bei ca. 2/3 dB bei der Hörschwelle
– für laute Schalle sinkt sie bis .3/.5 dB
• Sie ist von der Gehörbildung abhängig

Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle
Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle für den Schalldruckpegel für
einen 1 kHz-Sinuston je nach dem absoluten Schalldruckpegel
(von Fastl H., Zwicker E., “Psychoacoustics: Facts and Models”)

Einschätzung der Lautheit, Frequenzbewertung
• Aufgrund der vorherigen Beobachtungen ist es jetzt
klar, dass eine genaue Einschätzung der Lautheit mit
elektronischen Mitteln kaum möglich ist
• Die Schallmessungs-Standards beschränken sich auf
eine Korrektur des spektralen Inhalts
• Bei dieser sogenannten Frequenzbewertung
handelt es sich um unterschiedliche Filter, die nach
dem absoluten Schalldruckpegel ausgewählt
werden sollen

• Die A-Bewertung (Einheitsmaß dB(A) ) ist für einen
Lautstärkepegel von ca. 40 phon gemeint (sehr leise)
• Die B-Bewertung ( dB(B) ) für ca. 60 phon
• Die C-Bewertung (dB(C) ) für ca. 80 phon

• Das Messverfahren eines Schallpegelmessers
besteht darin:
1. den Schalldruck in Spannung umzuwandeln
(anhand eines Kugelmikrofons)
2. den geeigneten Filter (A, B, oder C) anzuwenden
3. den Effektivwert in dB zu berechnen
• In der Praxis wird die B-Bewertung gar nicht
benutzt, und die C-Bewertung eher selten
=> Das dB(A) ist de Facto ein allgemeiner Standard für
die Messung der wahrgenommenen Lautstärke,
obwohl es nur für leise Schalle geeignet ist.
Filter: A-, B-, oder
C-Bewertung
RMS
dB(A), dB(B)
oder dB(C)

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